面向液压滑阀卡滞问题的健壮性设计

　　液压滑阀在液压系统中的主要作用是控制流体流动的方向和流量,其主要性能要求为换向过程的可靠性与稳定性.一般阀芯与阀套之间为圆柱滑动副,其滑动副之间有一定间隙,间隙的变化会造成滑阀卡滞现象.而液压滑阀作为液压系统的主要热源,在工作过程中阀芯因黏性发热会引起热变形,这样固体场的变化将影响流场和温度场特性,而流场和温度场的变化将进一步影响固体场,由此产生的流固热耦合效应是造成滑阀卡滞的一个重要难题.

　　近年来,人们对滑阀卡滞问题进行了相关研究.文献^[1-4]中结合计算流体动力学方法和固体有限元分析方法对U型和V型2种不同结构的滑阀阀芯变形进行了定性分析,得出了开有V型槽的阀芯在工作过程中变形量较小,抗干扰能力更强;文献^[5]中利用计算流体动力学方法对滑阀阀芯径向间隙温度场进行了模拟,分析了滑阀开度、工作压力对阀芯上温度分布与弹性变形的影响.上述文献都从定性角度对滑阀卡滞现象作出了解释,尚未有分析各影响因素的定量化方法及设计流程.

　　本文以三位四通换向阀为研究对象,首先运用流固热耦合理论分析影响阀芯变形的诸多因素;再通过集成试验设计、响应面函数^[6-7]等方法,获得阀芯变形量与几何参数、工况参数及约束参数之间的复杂响应关系,进一步运用健壮性优化设计方法来降低阀芯变形对工况参数及约束参数的敏感性;最后,验证了健壮性设计的有效性,从而为卡滞问题解析及滑阀设计提供了定量化的理论依据.

　　1 液压滑阀卡滞的机理分析

　　1.1 液压滑阀卡滞现象

　　液压滑阀在工作过程中由于黏性发热引起阀芯变形时,会使阀芯凸肩间隙中的油压沿径向分布不均匀,从而产生很大的侧向力,将阀芯推向一侧,使阀芯运动的摩擦阻力增加,阻碍阀芯的正常运动,进而导致阀芯运动不平顺,严重时阀芯卡住不动,此现象称为液压卡滞现象.

　　阀芯在正常工作中受到液压力、液动力、侧向缝隙液压力、摩擦力、弹性力和惯性力的作用,而与液压卡滞有直接关系的是摩擦力,其大小为

　　由牛顿内摩擦力定律可得

式中:B_v为滑阀的黏性摩擦系数;x_v为流动方向位移;L为阀芯阀孔配合长度;r_c为阀芯与阀套的径向间隙.

　　1.2 液压滑阀黏性变形理论方程

　　流体的黏性发热可以用液化能量方程描述,能量守恒定律可描述为微元体中能量的增加率等于进入微元体中的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功,能量守恒方程为